Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemciler-I CISC, RISC ve EPIC Esasları Alper Bayrak ˙ ¨ Abant Izzet Baysal Universitesi Bolu 2014 Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Sunuma Genel Bakı¸s Sunuma Genel Bakı¸s I 1 Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi RISC Mimarisi EPIC Mimarisi Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi Mikroi¸slemci Mimarisi Mikroi¸slemcinin temel unsurları kaydediciler, veri yolları ve i¸s hatlarıdır. Bu unsurların b¨ uy¨ ukl¨ u˘ gu ¨, sayısı, yapısı o i¸slemcinin yeteneklerini belirler ve bir mimariyi di˘ ger mimarilerden ayırır. Bilgisayar tarihinin ba¸slarında, donanım fiyatlarının y¨ uksek olu¸sundan dolayı ¸co˘ gu bilgisayar olduk¸ca basit komut k¨ umesine sahipti. Sonraki yıllarda donanımı olu¸sturan elemanların u ¨retimindeki artı¸s, fiyatların d¨ u¸smesine bunun sonucunda sistemde y¨ uksek miktarda eleman kullanılmasına sebep oldu. B¨oylece fazla donanım kullanımı, komut k¨ umesinin b¨ uy¨ umesini ve sistemi c¸ok karma¸sık yapan donanımlarda kullanılmasını sa˘glamı¸stır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi Mikroi¸slemci Mimarisi Bir bilgisayarın komut k¨ umesi, programcının makineyi programlarken kullanabilece˘ gi ilkel emirleri veya makine komutlarının tamamının olu¸sturdu˘ gu k¨ umeyi belirtir. Bir komut setinin karma¸sıklı˘ gı, komut ve veri formatlarına, adresleme modlarına, genel ama¸clı kaydedicilere, opcode tanımlamalarına ve kullanılan akı¸s kontrol mekanizmalarına ba˘glıdır. ˙I¸slemci tasarımındaki komut seti mimarileri CISC ve RISC olmak u ¨zere iki ¸ce¸sittir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) Intel’in X86 mimarisine dayalı i¸slemci serisinin ortaya ¸cıktı˘gı 70’li yıllarda, RAM’lerin pahalı ve kısıtlı olması sebebiyle bu kaynakların tasarruflu bir ¸sekilde kullanılarak y¨ uksek seviyeli dillerin desteklenmesini savunan bazı tasarım mimarları bir araya gelerek CISC mimarisini geli¸stirmi¸slerdir. Bu mimari, programlanması kolay ve etkin bellek kullanımı sa˘glayan tasarım felsefesinin bir u ¨r¨ un¨ ud¨ ur. Her ne kadar performans d¨ u¸su ¨kl¨ u˘ gu ¨ne sahip olsa ve i¸slemciyi karma¸sık hale getirse de yazılımı basitle¸stirmektedir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) CISC mimarisinin karakteristik iki ¨ ozelli˘ ginden birisi, de˘gi¸sken uzunluktaki komutlar, di˘ geri ise karma¸sık komutlardır. De˘gi¸sken ve karma¸sık uzunluktaki komutlar bellek tasarrufu sa˘glar. Karma¸sık komutlar iki ya da daha fazla komutu tek bir komut haline getirdikleri i¸cin hem bellekten hem de programda yer alması gereken komut sayısından tasarruf sa˘ glar. Karma¸sık komut karma¸sık mimariyi de beraberinde getirir. Mimarideki karma¸sıklı˘ gın artması, i¸slemci performansında istenmeyen durumların ortaya ¸cıkmasına sebep olur. Ancak programların y¨ uklenmesinde ve c¸alı¸stırılmasındaki d¨ u¸su ¨k bellek kullanımı bu sorunu ortadan kaldırabilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) Tipik bir CISC komut seti, de˘ gi¸sken komut formatı kullanan 120-350 arasında komut i¸cerir. Bir d¨ uzineden fazla adresleme modu ile iyi bir bellek y¨onetimi sa˘glar. CISC mimarisi c¸ok kademeli i¸sleme modeline dayanmaktadır. ˙Ilk kademe y¨ uksek d¨ uzeyli dilin yazıldı˘ gı yerdir. Sonraki kademeyi makine dili olu¸sturur ki, y¨ uksek d¨ uzeyli dilin derlenmesi sonucu bir dizi komutlar makine diline c¸evrilir. Bir sonraki kademede makine diline ¸cevrilen komutların kodları ¸c¨oz¨ ulerek, mikroi¸slemcinin donanım birimlerini kontrol edebilen en basit i¸slenebilir kodlara (mikrokod) d¨on¨ u¸st¨ ur¨ ul¨ ur. En alt kademede ise i¸slenebilir kodları alan donanım aracılı˘gıyla gerekli g¨ orevler yerine getirilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) ˙Ilk mikroi¸slemci tasarımları, komut k¨ umesindeki her bir komutun ¸sifresini ¸c¨ ozme ve sonra i¸sleme ¸seklinde ¸calı¸san adanmı¸s mantık kullandılar. Bu d¨ uzen birka¸c kaydedici i¸ceren basit tasarımlar i¸cin iyi bir ¸calı¸smaydı. Ancak yapımı olduk¸ca zor ve daha karma¸sık mimarilerin do˘gmasına sebep oldu. Bu y¨ uzden tasarımcılar i¸slemcinin farklı birimleri arasındaki veriyollarını kontrol etmek i¸cin birka¸c basit mantık geli¸stirdiler. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) Veriyolu mantı˘gını kontrol etmek i¸cin basitle¸stirilmi¸s komutlara mikrokod denilir ve bu tip bir uygulama mikroprogramlı uygulama olarak bilinir. Bir mikroprogramlı sistemde i¸slemcinin komut kodlarının her birine kar¸sılık gelen mikrokod komut gruplarını i¸ceren belle˘gi (tipik olarak ROM) vardır. Bir makine kodu i¸slemciye eri¸sti˘ ginde, i¸slemci kodun daha basit komut¸cuklara ayrılmı¸s dizilerini icra eder. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) Komutlar yerel bir ROM bellekte oldu˘ gundan ana bellekten on kat daha hızlı bulunup getirilebilirler. Bundan dolayı tasarımcılar m¨ umk¨ un oldu˘ gunca c¸ok komutu mikrokod ROM’a koymaya c¸alı¸sırlar. Ger¸cekte sık sık kullanılan ve belirli uygulamalarda yava¸s yordamların yerine, bu yordamları i¸ceren mikrokodlu mikroi¸slemciler u ¨retilmektedir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) ˙I¸cerisinde mikrokod bulunduran ROM bellek, ana bellekten ¸cok daha hızlı oldu˘ gu i¸cin, mikrokod bellekteki komut serisi fazla hız kaybetmeksizin dahili sistemde y¨ ur¨ ut¨ ulebilir. Aynı komut k¨ umesini adanmı¸s mantık u ¨zerinde y¨ ur¨ utmek yerine, yeni yongalarla y¨ ur¨ utmek daha kolaydır ve daha az transist¨or gerektirir. Bir mikroprogramlı tasarım yeni komut k¨ umelerini i¸slemek i¸cin tamamen de˘gi¸stirilebilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) Yeni komutlar mikrokod halinde eskilerin u ¨zerine eklenir. B¨oylece geriye d¨on¨ uk uyumluluk tam olarak sa˘glanabilir. Bazı makineler ticari hesaplamalar i¸cin, bazıları da bilimsel hesaplamalar i¸cin elveri¸sli hale getirildiler. Bununla birlikte t¨ um¨ u aynı komut k¨ umesini payla¸stı˘gından programlar makineden makineye, temel donanımlara ba˘glı kalarak, performansın m¨ umk¨ un olan artırımı ve azaltımı ile birlikte yeniden derlenmeden ta¸sınabilir. Bu esneklik ve g¨ u¸c, mikrokodlamayı yeni bilgisayarları geli¸stirmek i¸cin tercih edilen yol yapar. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) Bir mikroprogramlı tasarımı kullanmanın sonu¸clarından birisi, tasarımcıların her bir komuta daha fazla i¸slevsellik katabilmeleridir. Programları c¸alı¸stırabilmek i¸cin gerekli toplam komut miktarını azaltan sadece bu de˘ gildir. Bu y¨ uzden fazla bellek kullanımı daha etkili hale gelmi¸s ve assembly dilinde program yazanların durumunu kolayla¸stırmı¸stır. Daha sonra tasarımcılar, Assembly dili programcısının ama¸cladı˘gı komutlarla kendi komut k¨ umesini artırmı¸stır. Bu tip artırımlar, manevra i¸slemleri, ¨ ozel d¨ ong¨ u yapıları ve ¨ozel adresleme modlarını i¸cermektedir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisi (Complex Instruction Set Computer-Karma¸sık komut k¨umeli Bilgisayar) Devre tasarımcıları, programcıya yakın komut k¨ umesi olu¸sturmaya ba¸sladıktan sonra, sıra mantıksal adımlarla y¨ uksek-d¨ uzeyli dillerden olu¸san komut k¨ umelerini yapılandırmaya gelmi¸stir. Bu adım, derleyici yazarların i¸sini kolayla¸stırdı˘gı gibi derleyicilere kaynak kodu dizisi ba¸sına daha az komut ¸cıkarmayı sa˘glar. CISC mimarili i¸slemciler, tek bir ¸ca˘ grı ile yı˘ gın ¸cer¸ceveleme ve yok etme yordamlarının da dahil oldu˘ gu ¸ce¸sitli tipte komutları y¨ ur¨ ut¨ ur. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC’ın do˘gu¸su CISC tasarım kararları: Mikrokod kullanmak Zengin komut k¨ umesini olu¸sturmak Y¨ uksek seviyeli komut k¨ umesini olu¸sturmak Bu u ¨¸c karar, b¨ ut¨ un bilgisayarları 80’lerin sonuna ta¸sıyan CISC felsefesinin temelidir ve bu g¨ un de hala ge¸cerlili˘gini korumaktadır. CISC adı, RISC mimarisinin geli¸simine kadar bilgisayar tasarımcılarının s¨ozl¨ u˘ gu ¨ne girmemi¸sti ve bilgisayarları tasarladıkları tek mimariydi. Bundan sonra b¨ ut¨ un CISC tasarımlarının payla¸stı˘gı genel karakteristikler ve bu karakteristiklerin CISC yapısına sahip bir makinenin i¸slemine etkileri g¨ or¨ ulecektir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi ¨ CISC Tasarımının Ozellikleri 80’li yıllara kadar ¸cıkarılan c¸ipler kendine has tasarım yollarını takip ettiler. Bunların ¸co˘gu ”CISC tasarım kararları” denilen kurallara uydular. Bu ¸ciplerin hepsinin benzer komut k¨ umeleri ve donanım mimarileri vardır. Komut k¨ umeleri, assembly dili programcılarının rahatlı˘gı i¸cin tasarlanırlar ve donanım tasarımları olduk¸ca karma¸sıktır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi Komut K¨umeleri CISC mimarisinin geli¸simine izin veren tasarım sınırlamaları az miktarda yava¸s bellek ve ilk makinaların Assembly dilinde programlanması komut k¨ umelerine bazı ortak karakteristikler y¨ uklemi¸stir: Komutların bir kaynak ve bir hedefe sahip olması (ADD R1,#25 komut satırında, ’R11’ hedef,’#25’ ise kaynak verisidir.) Kaydediciden kaydediciye, kaydediciden belle˘ ge ve bellekten kaydediciye komutlara sahip olması Diziler yoluyla belle˘ gi indislemek i¸cin geli¸stirilmi¸s pek ¸cok adresleme modları i¸cermesi De˘ gi¸sken uzunlukta komutlar i¸cermesi (uzunluk genellikle adresleme moduna g¨ ore de˘ gi¸sir) ˙ Icrası i¸cin birden fazla c¸evrim gerektiren komutlar. E˘ ger bir komut c¸alı¸stırılmadan o ¨nce ek bir bilgiye ihtiya¸c duyarsa, ekstra bilgiyi toplamak fazladan c¸evrim gerektirecektir. Sonu¸c olarak bazı CISC komutlarını y¨ ur¨ utmek, di˘ gerlerinden daha uzun zaman alacaktır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi Donanım Mimarisi Pek c¸ok adresleme modunu desteklemesi amacıyla tek bir komut tarafından karma¸sık komut ve de¸sifre mantı˘gı y¨ ur¨ ut¨ ul¨ ur. Az miktarda genel ama¸clı kaydedici: Bellek u ¨zerine do˘grudan i¸slem yapabildi˘ginde, fazla genel ama¸clı kaydediciye ihtiya¸c yoktur. Az miktarda kaydedici, ¸cok miktarda bellek kullanımı demektir. Pek c¸ok ¨ozel ama¸clı kaydedici: C ¸ o˘ gu CISC tasarımı, yı˘gın i¸saret¸cisi ve kesme y¨ oneticisi gibi ¨ ozel ama¸clı kaydedicileri kendisi kurar. Bu i¸slem donanım tasarımını bir dereceye kadar basitle¸stirir. Komutlar karma¸sık oldu˘ gundan her parametrenin tutulması ayrı bir ¨ onem ta¸sır. Bayrak kaydedicisi: Bu kaydedici, son i¸slemin sonucunun ne oldu˘gunu i¸slemciye bildirir ve sonraki i¸slemin buna g¨ore y¨onlendirilmesini sa˘ glar. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi ˙Ideal CISC Mimarisi CISC i¸slemciler, bir sonraki komuta ba¸slamadan ¨once elindeki komutu tamamen icra etmek u ¨zere tasarlanmı¸stır. Ama ger¸cekte b¨oyle olmaz, c¸u ¨nk¨ u komutlar ¸cok karma¸sıktır ve tek saykılda i¸slenmez. ˙I¸s-hattında beklemelere sebep olurlar. Bu sebeple ¸co˘gu i¸slemci bir komutun icrasını pek ¸cok belirli a¸samaya ayırır. Bir a¸sama biter bitme sonu¸c bir sonraki a¸samaya aktarılır. Al getir: Bir komut ana bellekten alınıp getirilir. Kodunu ¸c¨ oz: Komutun ¸sifresi ¸c¨ oz¨ ul¨ ur. E˘ ger gerekliyse i¸slemci bellekten ek bilgi okur. C ¸ alı¸stır: Komut i¸slenir. Mikroprogramın kontrol kodu i¸sletimi y¨ ur¨ utecek donanım c¸evrimini belirler. Tekrar yaz: Sonu¸clar belle˘ ge yazılır. ˙Ideal bir CISC makinasında, her bir komut sadece bir c¸evrim gerektirir. Ger¸cekte bu bir anda bir komutu icra eden makine i¸cin m¨ umk¨ un olan en y¨ uksek hızdır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi Ger¸cek¸ci bir CISC Makinesi Ger¸cekte bazı komutlar a¸sama ba¸sına birden fazla saat ¸cevrimi gerektirir. Bununla birlikte, CISC olu¸sumunun temelindeki d¨ u¸su ¨nce, toplam ¸cevrim sayısını k¨ uc¸u ¨k tutmak oldu˘ gundan bir CISC tasarımı bu yava¸slamayı uygun g¨ orebilir. Performans belirlemek i¸cin a¸sa˘ gıdaki e¸sitlik kullanılmaktadır. ˙Icra s¨ uresi=ΣN komut ba¸ s ına ¸cevrim sayısı[i]*¸cevrim s¨ uresi, i=1 N:komut sayısı. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi ¨ unl¨ukleri CISC Mimarisinin Ust¨ CISC makinalar ilk geli¸sim sıralarında bilgisayar performansını y¨ ukseltmek i¸cin mevcut teknolojileri kullandılar. Mikroprogramlama assembly dilinin y¨ ur¨ ut¨ ulmesi kadar kolaydır ve sistemdeki kontrol biriminden daha ucuzdur. Yeni komutlar ve mikrokod ROM’a eklemenin kolaylı˘gı tasarımcılara CISC makinalarını ilk bilgisayarlar gibi ¸calı¸stırabilirler ¸cu ¨nk¨ u yeni bilgisayar ¨ onceki bilgisayarın komut k¨ umelerini de i¸cerecektir. Her bir komut daha yetenekli olmaya ba¸sladı˘ gından verilen bir g¨orevi y¨ ur¨ utmek i¸cin daha az komut kullanılır. Bu, nispeten yava¸s ana belle˘gin daha etkili kullanımını sa˘ glar. Mikroprogram komut k¨ umeleri, y¨ uksek seviyeli dillerine benzer bi¸cimde yazılabildi˘ ginden derleyici karma¸sık olmak zorunda de˘gildir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisinin Sakıncaları ˙I¸slemci ailesinin ilk ku¸sakları her yeni versiyon tarafından kabullenilmi¸stir. B¨ oylece komut kodu ve c¸ip donanımı bilgisayarların her ku¸sa˘ gıyla birlikte daha karma¸sık hale gelmi¸stir. M¨ umk¨ un oldu˘gu kadar ¸cok komut, m¨ umk¨ un olan en az zaman kaybıyla belle˘ge depolanabiliyor ve komutlar neredeyse her uzunlukta olabiliyor. Bunun anlamı farklı komutlar farklı miktarlarda saat c¸evrimi tutacaktır bu da makinanın performansını d¨ u¸su ¨recektir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi CISC Mimarisi CISC Mimarisinin Sakıncaları C ¸ o˘gu ¨ozel g¨ uc¸l¨ u komutlar ge¸cerliliklerini do˘ grulamak i¸cin yeteri kadar sık sık kullanılmıyor. Tipik bir programda mevcut komutların yakla¸sık %20’si kullanılıyor. Komutlar genellikle bayrak (durum) kodunu komuta bir yan etki olarak kurar. Bu ise ek saykıllar yani bekleme demektir. Aynı zamanda sonraki komutlar i¸slem yapmadan ¨once bayrak bitlerinin mevcut durumunu bilmek durumundadır. Bu da yine ek saykıl demektir. Bayrakları kurmak zaman aldı˘gı gibi, programlar takip eden komutun bayra˘ gın durumunu de˘gi¸stirmeden ¨once bayrak bitlerini incelemek zorundadır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi RISC Mimarisi RISC mimarisi, CISC mimarili i¸slemcilerin k¨ ot¨ u yanlarını gidermek i¸cin piyasanın tepkisi ile ona bir alternatif olarak geli¸stirilmi¸stir. RISC’ı IBM, Apple ve Motorola gibi firmalar sistematik bir ¸sekilde geli¸stirmi¸stir. RISC felsefesinin taraftarları, bilgisayar mimarisinin tam anlamıyla bir elden ge¸cirmeye ihtiyacı oldu˘ gunu ve neredeyse b¨ ut¨ un geleneksel bilgisayarların mimari bakımından birtakım eksikliklere sahip oldu˘ gunu ve eskidi˘ gini d¨ u¸su ¨n¨ uyorlardı. Bilgisayarların gittik¸ce daha karma¸sık hale getirildi˘gi ve hepsinin bir kenara bırakılıp en ba¸stan geri ba¸slamak gerekti˘gi fikrindeydiler. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi RISC Mimarisi 70’lerin ortalarında yarı iletken teknolojisindeki geli¸smeler, ana bellek ve i¸slemci yongaları arasındaki hız farkını azaltmaya ba¸sladı. Bellek hızı artırıldı˘ gından ve y¨ uksek seviyeli diller Assembly dilinin yerini aldı˘gından, CISC’ın ba¸slıca u ¨st¨ unl¨ ukleri ge¸cersizle¸smeye ba¸sladı. Bilgisayar tasarımcıları sadece donanımı hızlandırmaktan ¸cok bilgisayar performansını iyile¸stirmek i¸cin ba¸ska yollar denemeye ba¸sladılar. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ˙Ilk RISC Modeli IBM 70’lerde RISC mimarisini tanımlayan ilk ¸sirket olarak kabul edilir. Aslında bu ara¸stırma temel mimarisel modeller ortaya ¸cıkarmak i¸cin Berkeley ve Standford u ¨niversitelerince daha fazla geli¸stirildi. RISC’ın felsefesi u ¨c¸ temel prensibe dayanır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ˙Ilk RISC Modeli B¨ ut¨ un komutlar tek bir c¸evrimle c¸alı¸stırılmalıdır: Performans e¸sitli˘ginin gerekli kısmı budur. Ger¸cekle¸stirilmesi bazı ¨ ozelliklerin varolmasına ba˘glıdır. Komut kodu harici veri yoluna e¸sit ya da daha k¨ uc¸u ¨k sabit bir geni¸slikte olmalı, ilave edilmek istenen operandlar desteklenmemeli ve komut kodu c¸¨ oz¨ um¨ u gecikmelerini engellemek i¸cin dikey ve basit olmalı. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ˙Ilk RISC Modeli Belle˘ge sadece ”load” ve ”store” komutlarıyla eri¸silmelidir.: Bu prensip ilkinin do˘ gal sonucudur. E˘ger bir komut direkt olarak belle˘ gi kendi amacı do˘grultusunda y¨onlendirirse onu c¸alı¸stırmak i¸cin bir¸cok saykıl ge¸cer. Komut alınıp getirilir ve bellek g¨ ozden ge¸cirilir. RISC i¸slemcisiyle belle˘ ge yerle¸smi¸s veri bir kaydediciye y¨ uklenir, kaydedici g¨ ozden ge¸cirilir ve son olarak kaydedicinin i¸ceri˘gi ana belle˘ge yazılır. Bu seri en az u ¨¸c komut alır. Kaydedici tabanlı i¸slem ger¸cekle¸stirmeyle performansı iyi durumda tutmak i¸cin c¸ok sayıda genel ama¸clı kaydediciye ihtiya¸c vardır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ˙Ilk RISC Modeli B¨ ut¨ un icra birimleri mikrokod kullanmadan donanımdan ¸calı¸stırılmalıdır: Mikrokod kullanımı, dizi ve benzeri verileri y¨ uklemek i¸cin ¸cok sayıda ¸cevrim demektir. Bu y¨ uzden tek ¸cevrimli icra birimlerinin y¨ ur¨ ut¨ ulmesinde kolay kullanılmaz. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ˙Ilk RISC Modeli G¨ un¨ um¨ uz¨ un RISC yapısına sahip ticari mikroi¸slemcilerinde genel olarak iki tarz g¨ or¨ ul¨ ur. Bunlar Berkeley Modeli ve Standford modelidir. Aralarındaki esas fark kaydedici k¨ umeleri ve bunların kullanımıyla alakalıdır. Her ikisi de veri ve komutların birbirinden ayrıldı˘gı veriye eri¸simin paralel yapıldı˘ gı ve komut ve veri uyu¸smazlı˘gını ortadan kaldıran Harward harici veriyolu mimarisine sahiptir. E˘ger bu iki akı¸s tek bir yoldan yapılmaya kalkı¸sılırsa, herhangi bir veri c¸a˘gırması komut akı¸sını durdurur ve i¸slemcinin tek ¸cevrimde i¸sleme hedefine ula¸smasının ¨ on¨ une ge¸cer. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ¨ RISC Mimarisinin Ozellikleri RISC mimarisi aynı anda birden fazla komutun birden fazla birimde i¸slendi˘gi i¸s hatlı tekni˘gi ve s¨ uperskalar yapılarının kullanımıyla y¨ uksek bir performans sa˘ glamı¸stır. Bu tasarım tekni˘gi y¨ uksek bellek ve geli¸smi¸s derleme teknolojisi gerektirmektedir. Bu mimari k¨ u¸cu ¨lt¨ ulen komut k¨ umesi ve azaltılan adresleme modları sayısı yanında a¸sa˘gıdaki ¨ozelliklere sahiptir. Bir ¸cevrimlik zamanda bir komut i¸sleyebilme Aynı uzunluk ve sabit formatta komut k¨ umesine sahip olma Ana belle˘ge sadece load ve store komutlarıyla eri¸sim, operasyonların sadece kaydedici u ¨zerinde yapılması B¨ ut¨ un icra birimlerinin mikrokod kullanılmadan donanımsal ¸calı¸sması Y¨ uksek seviyeli dilleri destekleme C ¸ ok sayıda kaydediciye sahip olması Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ˙I¸s Hattı Tekni˘gi Bilgisayar donanımının bir anda birden fazla komutu i¸slemcinin farklı alanlarında i¸sleyebildi˘ gi tekni˘ ge i¸s hattı tekni˘gi denir. Bir komutu ele almaya ba¸slamadan ¨ once bir ¨ oncekinin tamamlanmasını beklemez. CISC tabanlı makinelerde bir komutun i¸slenmesi 4 adımda yapılmaktadır. Bunlar komutu bellekten alıp getirmek, kodunu ¸c¨ozmek, i¸slemek ve yeniden belle˘ ge yazmaktır. Bu kademeler RISC tabanlı makinelerde de bulunur. Fakat paralel olarak icra edilirler. Bir kademedeki i¸slem biter bitmez sonucu di˘ger kademeye aktarılır ve di˘ ger komut u ¨zerinde ¸calı¸smaya ba¸slanılır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ˙I¸s Hattı Tekni˘gi Tek i¸s-hatlı sistemin performansı, bir b¨ ol¨ um¨ un tamamlanması i¸cin gereken zamana ba˘ glıdır. ˙I¸s-hattı tekni˘ gi kullanmayan tasarımlarda oldu˘ gu gibi t¨ um safhalar i¸cin ge¸cen toplam zamana ba˘glı de˘gildir. Bu tekni˘ge sahip RISC tabanlı i¸slemcilerde, her bir komut her kademede bir saat ¸cevrimi harcar. B¨ oylece i¸slemci her saat ¸cevrimi ba¸sına yeni bir komut kabul edebilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ˙I¸s Hatlı Sistemlerde Performans ˙I¸s hattı tekni˘gi kullanan bir i¸slemci, bellekten veri okuma sırasındaki beklemeler, sınırlı komut k¨ umesi tasarımı veya komutlar arasındaki uyumsuzluk gibi de˘ gi¸sik durumlardan dolayı atıl durumda kalabilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi Bellek Hızı Bellek hızı sorunları ¸co˘ gunlukla ¨ on bellek kullanımıyla ¸c¨oz¨ ulm¨ u¸st¨ ur. Statik RAM’den olu¸san ¨ on bellek i¸slemci ile dinamik RAM’e sahip ana bellek arasına yerle¸stirilmi¸s hızlı bir bellek t¨ ur¨ ud¨ ur. ˙I¸slemci ana bellekten bir alanı okumak istedi˘ ginde, bu alan aynı zamanda ¨on belle˘ ge kopyalanır. Dolayısıyla, ana belle˘ ge yazmak isterse de veri ¨once ¨on belle˘ge yazılır. Uygun bir zaman bulundu˘ gunda da ana belle˘ge ge¸cirilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi Komut Gizlili˘gi Zayıf tasarlanmı¸s bir komut k¨ umesi, i¸s-hatlı tekni˘ge sahip i¸slemcinin sık sık durmasına sebep olabilir. Genel sorunların bazıları ¸s¨oyledir: Y¨ uksek d¨ uzeyde ¸sifrelenmi¸s komutlar: Bu tip komutlar CISC tabanlı makinelerde kullanılır ve ¸c¨ ozmek i¸cin bir dizi testler uygulanır. De˘gi¸sken uzunlukta komutlar: Komutun t¨ um¨ un¨ u getirmek belle˘ge ¸cok y¨onl¨ u ba¸svurular gerektirir. Komutların bazıları bir kelime bazıları birden fazladır. Ana belle˘ge giri¸s yapan komutlar: Ana bellek yava¸s olabilece˘ginden i¸slemci durabilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi Komut Gizlili˘gi ˙I¸slenmesi i¸cin ¸cok fazla saat ¸cevrimi gerektiren karma¸sık komutlar: Mesela kayan noktalı i¸slemler Aynı kaydediciye yazma ve okuma ihtiyacı olan komutlar: Kaydedicinin ¨onceki okuma i¸sleminden hala me¸sgul olması sebebiyle, kaydedicinin kullanılabilir olmasına kadar i¸slemcinin durmasına sebep olabilir. Tek nokta kaynaklarına olan g¨ uvenilirlik: Bayrak kaydedicilerindeki durumları e˘ ger bir komut kurarsa ve takip eden komut bu bitler okumaya ¸calı¸sırsa, ikinci komut birinci komutun yazma i¸slemi bitene kadar beklemek zorundadır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi G¨uvenilirlik RISC programcılarının problemlerinden bir tanesi, zayıf komut k¨ umesinden dolayı i¸slemcinin yava¸slayabilmesidir. Her bir komutun sonucunu depolamak i¸cin bir miktar zaman harcanmasından ve birka¸c komutun aynı zamanda ele alınmasından dolayı sonraki komutların ilk komutların sonu¸clarının depolanmasını beklemek zorundadır. Bununla birlikte bir program i¸cindeki komutların basit olarak yeniden d¨ uzenlenmesi RISC programlarının bu performans kısıtlamalarını ortadan kaldırabilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi S¨uper ˙I¸s hattı Teknolojisi S¨ uper i¸s hatlı sistem, i¸s hattının her bir kademesini 2 alt devreye ayırır ve saat hızını dˆahili olarak ikiye katlar. Her bir kademe saat ba¸sına 1 komut icra eder. Ancak dahili saat iki kat hızlı oldu˘ gundan i¸s hatlı saat darbesinin her vuru¸sunda iki komutu y¨ ukleyebilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi S¨uperskalar Mimari S¨ uperskalar makineler aynı ¸seyi yapmakta yetenekli olan pek ¸cok icra birimini i¸cerir. Bu i¸slemcinin, birka¸c benzer komutun her birini eldeki icra birimlerine da˘ gıtarak i¸slemesine izin verir. Mesela iki aritmetik birimi olan s¨ uperskalar makine iki c¸ift sayıyı aynı anda (sonu¸clarının aynı yere gitmek zorunda olmadı˘gı durumlarda) toplayabilir. Bu makine iki ¸cıkı¸slı makine olarak adlandırılır. RISC komut k¨ umesi s¨ uperskalar mimariye tam uyumludur. Bunun sebebi ¸cip u ¨zerinde daha az yer tutan ve dolayısıyla bir veya daha fazla kez kopyası c¸ıkartılabilen basit i¸slem birimlerinde her bir komutun icra edilebilmesidir ¸cu ¨nk¨ u, komutlar arasındaki ba˘ gımlılık ¨ onemsenmemektedir. (E˘ger iki komut bir kaydedici veya bir bayrak kodları gibi aynı kaynakları isterse, bunlar aynı kaynakları isterse, bunlar aynı anda y¨ ur¨ ut¨ ulemezler). Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi S¨uperskalar Mimari RISC’de kaydedici sayısı c¸oktur. Dolayısıyla aynı kaydediciye nadir talep g¨or¨ ul¨ ur. Bir ¸cok-¸cıkı¸slı makine genellikle bir algetir kademesine ve bir kod-¸c¨ozme kademesine sahiptir. Fakat bukademeler her saat c¸evriminin bir par¸cası i¸cinde i¸slenir. B¨oylece bunlar makinenin t¨ um hızını sınırlamazlar. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ¨ unl¨ukleri RISC Mimarisinin Ust¨ RISC tasarımı olan bir mikroi¸slemciyi kullanmak, kar¸sıla¸stırılabilir bir CISC tasarımını kullanamaya g¨ ore pek ¸cok avantaj sa˘glar. Hız: Azaltılmı¸s komut k¨ umesi, kanal ve s¨ uperskalar tasarıma izin verdi˘ginden RISC i¸slemciler genellikle kar¸sıla¸stırılabilir yarı iletken teknolojisi ve aynı saat oranları kullanılan CISC i¸slemcilerinin performansının 2 veya 4 katı daha y¨ uksek performans g¨osterirler. Basit Donanım: RISC i¸slemcinin komut k¨ umesi ¸cok basit oldu˘gundan ¸cok az ¸cip uzayı kullanırlar. Ekstra fonksiyonlar, bellek kontrol birimleri veya kayan noktalı aritmetik birimleri de aynı c¸ip u ¨zerine yerle¸stirilir. Kısa Tasarım Zamanı: RISC i¸slemciler CISC i¸slemcilere g¨ore daha basit oldu˘gundan daha c¸abuk tasarlanabilirler ve di˘ger teknolojik geli¸smelerin avantajlarını CISC tasarımlarına g¨ore daha ¸cabuk kabul edebilirler. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi RISC Mimarisinin Sakıncaları CISC tasarım stratejisinden RISC tasarım stratejisine yapılan ge¸ci¸s kendi problemlerini de beraberinde getirmi¸stir. Donanım m¨ uhendisleri kodları CISC i¸slemcisinden RISC i¸slemcisine aktarırken anahtar i¸slemleri g¨ oz ¨ on¨ unde bulundurmak zorundadır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi ¨ Kod Ozelli˘ gi Bir RISC i¸slemcisinin performansı i¸sledi˘ gi kodun algoritmasına ¸cok ba˘glıdır. E˘ger programcı veya derleyici, komut programlamada zayıf i¸s c¸ıkarırsa, i¸slemci atıl durumda kalarak bir par¸ca zaman harcayabilir. Programlama kuralları karma¸sık olabilece˘ ginden ¸co˘gu programcılar y¨ uksek d¨ uzeyli bir dil kullanırlar ve komut d¨ uzenlemeyi derleyiciye bırakırlar. RISC uygulamasının performansı, derleyici tarafından olu¸sturulan kodun ¨ ozelli˘ gine ba˘ glı oldu˘ gundan dolayı geli¸stiriciler i¸slenmi¸s kodun ¨ ozelli˘ gine dayanan derleyicileri dikkatle se¸cmek zorundadırlar. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi Hatalardan Arındırma Komut planlaması dikkatli yapılmazsa hatalardan arındırmayı zorla¸stırabilir. Makine dili komutlarının karı¸stırılması kodu okumayı zorla¸stırır. Bunun i¸cin programcı kodlama yaparken dikkatli olmak zorundadır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi Kod B¨uy¨umesi Kod geni¸slemesi CISC makinesi i¸cin derlenen ve RISC makinesi i¸cin tekrar derlenen bir programın aradaki g¨oreceli uzunluk farkını i¸saret eder. Tam geni¸sleme aslında derleyicinin niteli˘ gine ve makinenin komut k¨ umesi yapısına ba˘ glıdır. CISC tabanlı makinelerin karma¸sık i¸slemlerinin tek bir komut ile y¨ ur¨ ut¨ ulmesinden dolayı kod geni¸slemesi problem olabilir. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi RISC Mimarisi Sistem Tasarımı RISC makinelerin di˘ ger bir problemi de komutlarını beslemek i¸cin c¸ok hızlı bellek sistemleri gerektirmeleridir. ¨ CISC tabanlı sistemler genellikle kendi c¸ipleri u ¨zerinde L1 On bellek denilen bellekleri ta¸sırlar. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi EPIC Mimarisi (Explicitly Parallel Instruction Computing) Belirtilmi¸s Paralel Komutlarla Hesaplama C ¸ ok uzun kelimeli (VLIW) bilgisayarlar, yazılımın paralelizme ili¸skin kesin bilgi sa˘ gladı˘ gı mimari ¨ orneklerdir. Derleyici programdaki paralelli˘ gi tanımlar ve hangi i¸slemlerin bir ba¸skasından ba˘ gımsız oldu˘ gunu belirterek donanıma bildirir. Bu bilgi, aynı ¸cevrimde hangi i¸slerin ba¸slatılabilece˘giyle ilgili daha fazla denetim olmadan donanımla do˘grudan de˘ gerlendirilir. EPIC tarzı mimari, VLIW tekni˘ ginin geli¸stirilmi¸s bir modelidir denilebilir. S¨ uperskalar i¸slemcilerin en iyi y¨ onlerinin bir c¸o˘gu EPIC felsefesine adapte edilmi¸stir. C ¸ ok belirgin RISC mimarileri oldu˘ gu gibi EPIC yapısı i¸cinde bir komut k¨ umesi mimarisinden fazlası vardır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi EPIC Mimarisinin Avantajları Paralel c¸alı¸stırma (¸cevrim ba¸sına birden ¸cok komut c¸alı¸stırma) Tahmin kullanımı Spek¨ ulasyon kullanımı Derleme anında paralelizmi tanıyan derleyiciler 128 kayan nokta, 128 tamsayı, 64 tahminli b¨ uy¨ uk kaydedici k¨ umesi Dallanma tahmini ve bellek gecikmesi problemlerine kar¸sı u ¨st¨ un ba¸sarı Geli¸sme ve yeni birimlerin eklenmesine verilen do˘gal yapıdan kaynaklanan destek ve eskiye kar¸sı uyumluluk Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi X86 Komut Yapısı Komutlar ve talimatlardan meydana gelen assembly dilinde yazılmı¸s kaynak kodlarının her bir satırında, d¨ort ayrı alan tanımlanabilir. Bunlar etiket alanı, komut alanı, operand alanı ve a¸cıklama alanlarıdır. Etiket, komut ve operand alanları birbirinden bir veya daha fazla bo¸sluk ya da tab ile ayrılırlar. A¸cıklama alanı ; ile ayrılmalıdır. Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi A¸cıklama Alanları A¸cıklama programın belli yerlerine ileride dikkat c¸ekmek amacıyla kullanılan bir tanımdır. Programcı i¸cin se¸cimliktir. E˘ger isterse programcı bu satırları kullanmayabilir. MOV AX,15H ;15H sayısını AX kaydedicisine y¨ ukle ADD BX,AX ;AX kaydedicisindeki veriyi BX’e y¨ ukle Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi Etiket Alanı Bu alan sembolik bir isimdir ve komut satırının ilk ba¸sına konur. Etiketin ilk karakteri sayısal olmamak u ¨zere t¨ um karakterleri i¸cerebilir. Etiket adı maksimum 32 karakter uzunlu˘gunda kullanılabilir. BASLA: JMP ANA Etiket adları m¨ umk¨ unse kısa ve anlamlı olmalıdır. Etiket alanında bir birine benzeyen isimler kullanılmamalıdır. Etiket adında birbirine benzeyen karakterler bir arada kullanılmamalıdır. 0 ile O, S ile 5 gibi Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi Komut Alanı Mikroi¸slemciye bir i¸si tarif eden ve m¨ uhendisler tarafından komut c¨ umlesinin kısaltılarak mnemonik hale getirilmi¸s anlamlı kelimelerin kullanıldı˘ gı bu alana komut alanı, aksiyon alanı veya mnemonik alanı denilir. Etiket alanından sonra bir tab veya bo¸slukla girilen bu alanda bu komutlar bulunur. CMP JC XCHG Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi Operand Alanı Operand alanı i¸slemciye i¸slenecek verinin nerede olu˘gunu s¨oyleyen kısımdır. Bu operandlara u ¨zerinde i¸s yapılan veri denir. Bu alanda komut alanı ile arada bir veya iki karakterlik bo¸sluk bırakılır. ˙Iki operand arasına virg¨ ul konulur. CMP AX,BX ADD AX,[BX] MOV CX,00 NOT AX JNE BASLA Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi Operand Alanı KOMUT AX,BX ˙Iki operandın bulundu˘ gu alanda ilki hedef operandı, ikincisi kaynak operandı temsil etmektedir. Operand alanında kullanılan do˘ grudan verilerin sonunda B,H,D ve O gibi son takılar yazılır. Bunlar o sayıların hangi tabanda oldu˘ gunu g¨ osterir. (B:binary, H:Hex,D: Desimal, O:Oktal) Mikroi¸slemciler-ICISC, RISC ve EPIC Esasları Mikroi¸slemci Mimarisi EPIC Mimarisi ¨ TES ¸ EKKURLER
© Copyright 2024 Paperzz
